一种用于电力系统的可控同步时钟测试仪的研制.pdf
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1、第 5 0卷总第 5 7 1期 2 0 1 3年第 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u m e nt a t i o n VO 1 5 0 No 5 71 J u 1 2 0 1 3 一 种用于电力系统的可控 同步时钟测试仪的研制 陈班贤 , 黄琦 , 井实 , 甄威 ( 1 电子科技大学 电力 系统广域测量与控制四川省重点实验 室, 成都 6 1 1 7 3 1 ; 2 四川电力科 学研究院 系统技术所 , 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘要:针对当前缺少一种有效的测试设备来量化评估电力系统中电子设备
2、问的时间同步误差对电力系统自动 化设备的影响( 如造成误动误报等异常现象) 。利用电口、 光口和网口的工作原理研制了一种基于F P G A 的时间 同步可控测试仪,提供了U A R T 串口报文授时、 I R I G B 时间编码授时、 I E E E 一 1 5 8 8 网络报文授时这三种授时功 能。通过控制外部设备与主时钟装置间的时问差, 达到调整设备之间的时间差的目的, 从而完成设备之间同步 时间误差导致设备异常的量化评估 , 为电力系统制定统一的时问同步系统提供重要的参考价值。 关键词 : 电力系统; F P G A; 时间同步可控; U A R T ; I R I G B; I E
3、E E 一 1 5 8 8 ; 测试仪 中图分类号: T M9 3 2 文献标识码 : B 文章编号: 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 9 6 0 5 De v e l o p me n t o f a Cl o c k S y n c h r o n i z a t i 0 n Co n t r o l l e d Te s t e r f o r El e c t r i c Po we r S y s t e m 1 1 1 2 C H E N B a n - x i a n, H U A N G Q i , J I N G S h i, Z HE
4、 N We i ( 1 T h e P o we r S y s t e m Wi d e - a r e a Me a s u r e me n t a n d Co n t r o l Ke y L a b o r a t o r y o f S i c h u a n P r o v i n c e , Un i v e r s i t y o f El e c t r o ni c S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y o f Ch i n a ,Che ng d u 61 1 7 31 ,Ch i n a 2 S i c h ua n El e
5、c t r i c Po we r Re s e a r c h I ns t i t u t e , S y s t e m t e c h n o l o g y L a b o r a t o r y , C h e n g d u 6 1 0 0 7 2 , C h i n a ) Ab s t r a c t : Wi t h e l e c t r i c a l i n t e r f a c e a n d o p t i c a l i n t e r f a c e a n d n e t wo r k i n t e r f a c e w o r k i n g p r
6、 i n c i p l e , t h i s p a p e r d e v e l o p s a c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l l e d t e s t e r ba s e d o n F PGA d u e t o t h e l a c k o f a n e f f e c t i v e t e s t e q u i p me nt t o e v a l ua t e t h e c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n e r r o r o f t h
7、 e e l e c t r o n i c a u t o ma t i o n e q u i l me n t s i n t h e p o w e r s y s t e m wh i c h h a s a n e g a t i v e i mp a c t O i l t he po we r s y s t e mTh e t e s t e r p r o v i d e s t hr e e t i mi n g f un c t i o n s ,n a me l y ,a UART s e r i a l p a c k e t s t i mi ng , I RI
8、G B c o d e t i mi n g a n d I EE E-1 5 8 8 n e t w o r k p a c k e t s t i mi n g By c o n t r o l l i n g t h e t i me b e t we e n t h e e x t e r n a l d e v i c e a n d t h e ma s t e r c l o c k d e v i c e ,i t a c h i e v e s a q u a nt i t a t i v e a s s e s s me n t o f t h e c l o c k s
9、y nc h r o ni z a t i o n e r r o r wh i c h wi l l l e a d t o e q u i p me n t ma l f u n c t i o n , a n d p r o v i d e s a n i mp o r t a n t r e f e r e n c e t o t h e p o we r s y s t e m wh e n f o r mu l a t i n g a u n i fi e d t i me Ke y wor ds: e l e c t r i c p o we r s y s t e m, FPG
10、A, c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o l l e d t i mi n g , UART, I RI G- B, I EEE一1 5 8 8 , t e s t e r 0引 言 在电力系统 中,尤其是在变电站的 自动化系统 中, 时间同步 的地位显得尤为重要 , 有时电力系统 中 的不正常运行, 可能就是因为设备之间时间同步达不 到要求的原因所造成 。例如在电力系统中的广域实 时监测系统, 主要依靠G P S 同步时钟的高精确度对广 域实时监测系统提供精确的相角测量 ,然而由于 G P S 的授时可能会受外界环境影响发生
11、卫星失锁现 象。 , 其稳定性和安全生 存在一定的不可靠性, 在1 9 9 5 9 6 一 年曾经 出现2 0 ms 的时钟跳变 , 这将导致相角测量产生 较大的误差从而引发电力系统的错误动作 。又如故 障录波器 , 可以 自动地、 准确地记录电力系统发生故 障前后过程 的各种电气量的变化情况 , 用于判断故障 的位置 、原因以及继电保护是否发生正确动作等 , 一 旦故障录波器的时间同步精度达不到一定范 围时, 将 对事故原 因的分析造成一定不 良影响。 针对上述这些问题 , 并根据 当前电力系统时间同 步的状况 ,研制 了一种基于F P G A 的时间同步可控测 学兔兔 w w w .x u
12、 e t u t u .c o m 第 5 O卷总第 5 7 1 期 2 0 1 3 年第7 期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e nt a t i o n V0 1 5 0 No 5 7 1 J u1 2 0 1 3 试仪。 该测试仪不但可以提供U A R T 串口报文授时, 还 可以提供多个通道的I E E E 一 1 5 8 8 网络报文授时和多 个通道 的I R I G B 时问编码授 时功能 , 同时各个通道 的授时可以单独控制, 从而调整外部设备之问的时间 差 , 为电网研究人员研究电力设备之
13、间允许存在的最 大同步时间差提供有效的测试方法, 同时也为电力系 统制定统一的时问同步标准提供重要 的参考价值 。 1 三种授 时方式原理介绍 I 1 U A R T串13报文授时原理 U A R T 串口通信报文的帧格式 如图1 所示 , 传送 速率为9 6 0 0 b i t s , 当设备问没有相互通信时, 授时设 备的发送数据线始终处于高电平状态; 开始授时的时 候 , 则先将发送数据线拉低, 即发送起始位“ 0 ” , 接着 发送8 b i t 有效数据位 ,再发送奇偶校验位和停止位 。 U A R T 串口报文的一次时间信息共有1 4 个字段,每个 字段 由l 0 个 比特组成一帧
14、 ,依次输出帧头( H e a d e r ) 、 小时的十位数字 、 小时的个位数字 、 分钟 的十位数字 等信息。 当被授时设备接收到符合这些格式的报文后 自动解析报文并提取报文里的时间信息并通过软件 的方法校正 自身的本地时问。 图1 U A R T串口报文通信帧格式 F i g 1 F r a me f o r ma t o f UART s e r i a l pa c k e t c o mmu n i c a t i o n 1 2 I R I G B 授 时 原理 I R I G B 码是一种串行 的二进制时间码 ,结合了 脉冲对时法和串口报文对时法 , 每秒钟发送一帧时间 码
15、 , 共 1 0 0 个码元 , 码元周期为 1 0 ms , 这些码元分别 由 三种不同脉宽的码元组成, 分别是8 m s 、 5 m s 和2 m s , 其 中脉宽为8 ms 代表一帧参考 点P R或者位置识别标 志 位P i , 5 ms 代表进制“ 1 ” , 2 m s 代表二进制 “ 0 ” 或 者索 引 标志S Y, 如图2 所示。 被授时设备一旦检测到连续二个脉宽为8 ms 的位 置识别标志位时, 开始解析报文的时间信息, 同时将 图2 I R I G B 码 元 示意 图 Fi g 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f I RI G-B
16、s y mb o l 纳秒计时器清零, 并重新开始计时, 从而完成对该设 备本地时间的校正。 1 3 I E E E一 1 5 8 8网络报 文授 时原 理 I E E E 一 1 5 8 8 网络报文授 时就是指授时设备能够 通过以太网以多播方式每隔一定时问对 网络内的被 授时设备的本地时间进行校正,图3 给出了授时设备 与被授时设备之间进行一次时间校正的具体过程。 其 中S y n c 、 F o l l o w u p 、 D e l a y r e q 、 D e l a y r e s p 这四个报文分 别为同步报文、 跟随报文、 延时一 请求报文、 延时响应 报文 ,而r r m
17、是授时设备发送同步报文的精确时间, 是被授时设备接收到同步报文的精确时间, rr n l 的时 间信息会被放置在跟随报文中, 是被授时设备发送 延时一请求报文的精确发送时间, 是授时设备接 收到延时一 请求报文的精确时间 ,同样被放置在延时 响应报文中发送给被授时设备 ; 经常这样 四次报文通 信后, 被授时设备将获得T ll1。 、 T T m : 、 这四个时间信 息, 因为网络传输具有很强的对称性, 所以假设通信 r1 n 回路的网络时延是一样 的 , 记为 , 而 代表授时 设备与被授时设备之间本地时间的偏差值 , 通过分析 图3 可以得到如下代数关系式 : ( T 1 一 T 1 )
18、 + ( 一 ) , 、 d 一一 L l T o = 1 一 T m 1 一 T d ( 2) 被授时的设备根据式( 1 ) 和式( 2 ) 计算得到 和 更新本地时问, 从而实现授时设备与被授时设备时间 高精度同步。 图3 I E E E一1 5 8 8 时间校正 过程 Fi g 3 c o r r e c t i o n pr o c e s s o f I EEE一1 58 8 t i me 2 系统方案设计 本套时问同步可控测试仪分别由G P S 接收机、 1 0 个网口、 l 0 个光口、 一个电口、 液晶显示模块和外部输 入控制模块等构成。 该测试仪的本地时间源于G P S ,
19、同 时用户可以通过外设按键和液晶显示模块的内容选择 即将授时的模式 , 第一种是电口, U A R T 串 口报文授 时方式 , 第二种是光 口, P l R I G B 时间编码授时方式 , 第三种是网口, I E E E 一 1 5 8 8 网络报文授时方式 , 接着 用户就可以根据实际的需要为各个通道设置时延量 , 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 0卷总第 5 7 1期 2 0 1 3年第 7期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i
20、o n Vo I 5 0 No5 7 1 Ju 1 2 01 3 最小时延量 为1 I t s , 最大为5 0 0 ms ; 设置完后用户可 以 选择设置另一种授时方式 , 也可以立即开始授时。 系统 的硬件构架如 图4 所示 ,主要包含 了一个 G P S 接收模块、 一个恒温晶振、 一个液晶显示模块、 一 个电口、 十一个外设按键 、 十个光 口、 十个网口和一块 F P G A 芯片。其中G P S 接收模块用于接收G P S 报文; 恒 温晶振为系统提供稳定的时钟信号; 十个外设按键分 别 为系统复位键R s t 、输入 清零 键C l r 、通 道选 择键 C h a n n e
21、l 、 授时模式选择键M o d e 、 确定键C o n fi r m, 剩余 六 个 键 k e y l k e y 6 分 别 对 应 1 tx s 、 l O p e s 、 l O 0 s 、 l m s 、 1 0 m s 、 l O O m s H 延值, 每按一次, 该按键相应时延值加 一 , N k e y l 对应1 Ix s , 每按一次k e y l , 时延值加1 s , 若 按下k e y 6 , 则时延值加l O O m s , 液 晶显示模块同时将用 户的操作显示出来。 图4 硬件构架图 F i g 4 Ha r d w a r e a r c h i t e
22、c t u r e d i a g r a m F P G A 芯片除了要解析G P S 报文外获得本地 时问 外 , 还要实现U A R T 串 口报文 、 I R I G B 码和I E E E 一 1 5 8 8 这三种通信报文的编码和解码。 2 1 G P S 报 文 解析 本文使用的G P S 接收机模块 ,可以输出G G A、 V T G、 G L L 、 Z D A、 G S A、 G S V、 R MC 等 七种N ME A信息 , 支 持 4 8 0 0 b p s 和 9 6 0 0 b p s 这 二 种 波 特 率 ,默 认 为 4 8 0 0 b p s , 用户可以
23、通过T S I P 命令选择需要的N M E A 信 息和波特率输出。根据本测试仪的实际需要,通过 T S I P 配置命令,使该G P S 接收机每秒钟只输出Z D A 信 息, 波特率为4 8 0 0 b p s , 同时每秒输出rr r L 标准脉冲信 号P P S 。G S P 接收机输出的Z D A 信息格式如下 : $GPZ DA, h h mms s S S , XDI XD2, XM1 XM2,XY1 XY2 XY3 XY4, , c c( C R) ( L F) 式 中h h mm s s S S 为 当前 U T C时间信 息h 、 m、 s 3 Y 别代 表 时、 分、
24、秒; X D 1 X D 2 存储了当天日 信息; X M1 X M 2 存储 了当天的月份信息; X Y I X Y 2 X Y 3 X Y 4 中存储了当天 的年份信息;c c 为校验和。 当设备接收到G P S 信号后 , F P G A 首先检测报头 是否为MY MG P Z D A, 如果是 , 则依次将报文后面的数 据部分存储下来 ,并根据Z D A信息格式将报文里 的 时、 分、 秒、 日、 月 、 年信息提取出来 , 并计算校验值是 一 98一 否与报文 中的校验和相匹配 , 如果匹配 , 则更新本地 时间,同时在P P S 脉冲信号的上升沿清零本地时间的 纳秒计算器。 如图5
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